JPS62141423A

JPS62141423A - デイ−ゼルエンジン用グロ−プラグ

Info

Publication number: JPS62141423A
Application number: JP27917585A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Masaka; 間坂　光佑; Hiroji Hatanaka; 広二畑中; Kenji Maruta; 丸田　賢二; Hirohisa Suwabe; 博久諏訪部
Original assignee: Jidosha Kiki Co Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Jidosha Kiki Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1987-06-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はディーゼルエンジンの副燃焼室または燃焼室内
を予熱するために用いられるグロープラグに関し、４．
＋Ｔに速熱型としての機能を発揮させるとともに、その
発熱特性を改善し長時間のアフターグロー化を達成し得
る自己温度飽和性を有するセラミックヒータを４ｉ１１
えてなるディーゼルエンジン用グロープラグの改良に関
する。

〔従来の技術〕

一般に、ディーゼルエンジンは低温時の始動性が悪いた
め、副燃焼室または燃焼室内にグロープラグを設置し、
これに電流を流して発熱させることで、吸気温度を−１
−■させあるいは着火源として用い、エンジンの始動性
を向上させる方法が採用されている。ところで、この種
のグロープラグとして従来は、金属製シース内に耐熱絶
縁粉末を先順し鉄クロム、ニッケル等からなるコイル状
発熱線を埋設した、いわゆるシース型と呼ばれるものが
一般的であるが、それ以外にも特開昭５７−４１５２３
号公報等に示されるように、タングステン等による発熱
線を、絶縁性を有する窒化ケイ素などといったセラミッ
ク材中に埋設した杯状ヒータを用いてなるセラミックヒ
ータ型も知られている。そして、このようなセラミック
ヒータ型では、耐熱絶縁粉末およびシースを介しての間
接加熱であるシース型に比べ、熱伝達効率を向上させ得
るとともに発熱特性の面でも優れ、加熱時に短時間で赤
熱して温ｌｌｆｆ１−Ｓ’７：　、１−り特性を大幅に
向−１−させ、速熱型としての性能を発揮させ得るもの
で、近年盛んに採用されるようになっている。

〔発１！１１が解決しようとする問題点〕しかしながら
、１−述したセラミックヒータ型のグロープラグでは、
たとえば窒化ケイ素などのような、Ｖ！！縁性セラミッ
ク材の内部に金属製（タングステン）の発熱線を埋設し
たヒータ構造であり、しかもこれら両部材間での熱膨張
率が異なることから、特に発熱時における急激な温度−
１＝昇とその繰返し使用とが、セラミックヒータの耐久
性に悪影響を及ぼすＪ又れがあり、ｉｉｔ熱強度等の信
頼性の面で問題をもち、さらにコスト高を招く等といっ
た欠点があった。

このような問題を解消し得るｂのとして、発熱線を絶縁
性を有するセラミック旧と略々回等の熱膨張率を有する
導電性セラミック材で形成するようにしたセラミンクヒ
ータ構造が、たとえば特開昭Ｇｏ−！３Ｑ８５号公報や
特開昭８０−１４７８４り公報等により従来既に提案さ
れているが、いずれもグロープラグとして使用するには
、構造１−からも、機能面からもまだまだ問題をもつも
のであり、実用化するには至らないものであった。

たとえば前者の場合には、発熱体となる導電性セラミッ
ク材を絶縁性セラミック材中に埋設してなる構造である
ため、熱伝導率の面ではシース型に比べて優れているも
のの、間接的な加熱であることから、速熱型としての機
能を発揮させるうえで問題で、さらにその成形加工が面
倒かつ煩雑である等といった問題をもつものであった。

また、後名の場合には、発熱体がヒータ表面側に露呈し
、速熱型として機能し得るも、その発熱体が単にＵ字状
を呈する部材の積層構造によって形成されかつその両端
部がヒータ後端部に導かれているだけであるため、その
電極の取出しにあたって構造が複雑化し、コスト高を招
き、さらに燃焼室内への渦流に対してＵ字状の発熱体に
より悪影響を与え、実川面で問題となるものであった。

また、近年この種のグロープラグにあっては、ディーゼ
ルエンジンの始動性の向上やそのターボ化の普及に伴な
う使用条件の高温化に対する耐久性、さらにエンジン始
動後において〜・定時間の間グロープラグに対し通電状
態を維持することによりエンジン内部での燃焼を円滑か
つ適切に行なえるようにして、掴気、騒音対策を図ると
いう、いわゆるアフターグロ一方式を採用することに対
しての市場安求が大きく、しかもこのアフターグロ一時
間を可能な限り長時間化（たとえばｌＯ分程度）するこ
とが必Ｖとされている。そして、このようなアフターグ
ローの長時間化を図るためには、発熱体への通ＴＩｔ電
力を自己制御して発熱特性を大幅に改善しヒータ部分で
の過加熱を防１トするとともにその飽和温度を適切な温
度状態以下に維持し得る自己温）■飽和機能を有するこ
とも必要とされているもので、これらの点をも考慮して
、速熱性および自己温度飽和＋＋等を有し、かつ耐熱強
度等の信頼性の而でも優れてなる安価なセラミックヒー
タを有するグロープラグの出現が要望されている。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した要請に応えるために、本発明に係るディーゼル
エンジン用グロープラグは、中空状ホルダの先端部に保
持される棒状セラミックヒータを、絶縁性セラミック材
により形成されてなる一対の帯状絶縁体と、これらイ１
シ状絶縁体間に介装された状態で焼成されることにより
一体化される導電性セラミック材による薄板状抵抗体と
からなリ、かつこの抵抗体を、ヒータ先端部に配置され
る幅狭な発熱部と、この発熱部の一端からヒータの長〔
方向中央まで延設されて外部に露呈する第１のリードと
、発熱部の他端からヒータ後端部まで延設されて外部に
露慴する第２のリードとによって一連に形成するように
したものである。

〔作用〕

本発明によれば、セラミックヒータを、略々間等の熱膨
張率を有する導電性セラミック材による抵抗体および絶
縁性セラミック材による帯状絶縁体を積層状態で焼成し
て一体的に成形することで、その耐熱強度等の信頼性を
向−１ニさせるとともに、ヒータ表面イ・１近まで露呈
するようにして配設された抵抗体の発熱部によって、ヒ
ータ先端の迅速な赤熱化が図れ、速熱型としての性能を
発揮させ得るとともに、この抵抗体自身のもつ自己温度
飽和性により飽和温度を適切に制御し得るものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳細に説明
する。

第１図ないし第３図は本発明に係るディーゼルエンジン
用グロープラグの一実施例を示すものであり、まず、第
１図において全体を符号１０で示すグロープラグの概略
構成を簡単に説明すると、このグロープラグ１０は、先
端側が発熱体として機能する棒状セラミックヒータ１１
と、このセラミックヒータ１１を先端において保持する
略管状を呈する金属製ホルダ１２とを備え、このホルダ
１２後端部には合成樹脂材などからなる絶縁ブツシュ１
３を介して外部ｔｔａ続端（−１４が同心状に嵌合保持
され、またこの外部１寝統端子１４は、前記セラミック
ヒータ１１内のＪＩＶ、１）１体（後述する）側にフレ
キシブルワイヤ等の金属導線１５を介して接続されてい
る。なお、図中１３ａは前記絶縁ブッシュ１３外周部に
−・体的に嵌装され組イ・１時においてかしめられるホ
ルダ１２後端部による高加圧力にてその軸線方向に座屈
変形し絶縁ブツシュ１３をホルダ１２側に所要の機械的
強度で一体化し温度影響を受げにくい構造とするための
金属製パイプである。また、１６ａ、１６ｂ、１６ｃは
前記外部接続端子１４後端側のねじ部に螺合された絶縁
リング、固定用ナツト、および外部リード締伺は用ナツ
トで、図示せぬバッテリからのリード線などをナラ）１
６ｂ、１６ｃ間で挟持することによりこの外部接続端子
１４をバッテリ端子に電気的に接続する。一方、前記ホ
ルダ１２はその外周部のねＩ：／部１２ａが図示しない
エンジンのシリンダヘッドに形成されたねじ孔に螺合さ
れることによって電気的にアース接続されると同時に、
ヒータ１１の先端を副燃焼室または燃焼室内に突出して
配置させるものである。

ここで、本実施例において、セラミックヒータ１１に対
し外部接続端子１４を金属導線１５にて接続したのは、
外部接続端子１４に加わる種々の振動や締付はトルク等
の機械的外力からヒータ１１を強度的に保護するためで
、この導線１５の材料としてはある程度の柔軟性をもつ
ものを用いるとよいものである。

さて１本発明によれば、上述した構成によるグロープラ
グ１０において、ボルダ１２先端に保持される棒状セラ
ミックヒータ１１を、第１図および第２図（ａ）、（ｂ
）　、さらには第４図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）
　。

（ｄ）から明らかなように、絶縁性セラミック材により
形成されてなる一対の帯状絶縁体２０　、２０と、これ
ら帯状絶縁体２０．２０間に介装された状態で焼成され
ることにより一体化される導電性セラミック材による薄
板状抵抗体２１とからなり、かつこの抵抗体２１を、ヒ
ータ１１先端部に配置される幅狭な発熱部２２と、この
発熱部２２の一端からヒータｌｌの長ｆ方向中央まで延
設されて外部に露呈する第１のり一ド２３と、発熱部２
２の他端からヒータ１１後端部まで延設されて外部に露
呈するｔｊＳ２のリード２４とによって一連に形成した
ところに特徴を有している。

これを詳述すると、本実施例では、セラミックヒータｌ
ｌは、長尺な帯状を呈するように絶縁性セラミック材で
形成されてなる生の状態である帯状絶縁体２０．２０に
対し、これら帯状絶縁体２０．２０間、たとえばその一
方の接合面一にに第４図（ａ）に示すように、同じく生
の状態の薄板状抵抗体２２を積層して載置し、この抵抗
体？２を両側から挟持した接合状態でこれらを焼成する
ことで、同図（ｂ）に示すように、一体化された棒状セ
ラミックヒータ１１を得るものである。そして、このセ
ラミックヒータ１１の中央部外周面と後端部外周面およ
びその後端面に、同図（Ｃ）に示すように、金７４メタ
ライズ層２５．２６が形成され、それぞれ内部に付設さ
れている第１および第２の″リー１”２３．２４と電気
的に接続される。ここで、これらのメタライズ層２５．
２６の表面にニッケルメッキ層を後加工として形成し、
このセラミックヒータ１１をホルダ１２側に保持させて
アース接続を行なう金属製の保護パイプ２７、および前
記フレキシブルワイヤ等による導線１５と陽極接続され
ているターミナルキャップ２８との接合状＃ｉをより確
実に行なえるように構成するとよいものである。

すなわち、−１一連したようにして形成されるセラミッ
クヒータ１１には、同図（ｄ）に示すように、その中央
部にアース側の前記保、；（（パイプ２７が、後端部に
電源側の前記ターミナルキャップ２８がそれぞれ銀ろう
伺は等により固着され、これによりセラミックヒータア
ッセンブリが形成されることとなる。そして、このｊ：
うなセラミックヒータアッセンブリは、周知のように、
ホルダ１２内に嵌込まれて保シヘパイプ２７がろう伺は
等で固着されるとともに、導線１５の後端部がホルダ１
２の後端部に保持されている夕）部接続端子１４側に接
続されることで、グロープラグ１０が組＼ｒてられるも
のである。

ここで、］−述したセラミックヒータ１１を形成する絶
縁性および導電性セラミック材として、たとえばβサイ
アロンまたはαとβとの混相しているサイアロン（Ｓｉ
３　Ｎ牛・ｌＩ４０％、Ａｌ２Ｏ３”０３０％、Ｙ２Ｏ
３・０３０％）に窒化チタン（Ｔｉｅ）の添加量（３０
％以下または以１−）を調整することで絶縁性、導電性
を選択し１’Ｊるサイアロン（ＳｉＡＩＯＮ）等を用い
ると、前記帯状絶縁体２０．２０と抵抗体２１とを熱膨
張率の略々等しい同一材質で形成することができ、その
接合強度を増大させて耐熱強度等の信頼性を向上させ得
るといった利点を奏するものである。すなわち、上述し
たサイアロンに対し、ＴｉＮを約３０％以上（実用−に
では４０％以上が望ましい）添加すると、正の抵抗温度
特性による導電性を有すること（いわゆる導電性サイア
ロン）が確認されており、またそれ以上加えることによ
り固有抵抗ｆＴＩｉが連続的に変化することが知られて
おり、−１−述したＴｉＮの含有率を変えたものを適宜
利用すればよいことは明らかであろう。また、−］二述
したサイアロンによる絶縁性および導電性セラミック材
による部材同士を接合させるには、　Ｙ２Ｏ３（イツト
リア）などの酸化物焼結助剤を介在させて焼結すること
で、その接合部分に拡散層を形成した状態で強固に接合
されるものである。勿論、一般的なセラミックの接合方
法であるハロゲン化合物法、ろう接法、固相接合法を用
いてもよいものである。

しかしながら、上述した帯状絶縁体２０　、２０および
抵抗体２１を形成する絶縁性および導電性セラミック材
としては、−１−述したサイアロンに限定されないもの
で、要は高温状態（たとえば１２００℃程度まで）でも
性能的に安定し、しかも耐熱衝撃性などに優れてなるセ
ラミック材であればよいものである。この場合、抵抗体
２１を形成する導電性セラミック材としては、たとえば
周期律表の４ａ族、５ａ族または６ａ族元素の炭化物、
ホウ化物または窒化物等の非酸化物導電材の群から得ら
ばれた一種以上とＳｉＣとその焼結結合材であるＡＩま
たはＡＩ化合物とからなる焼結体が考えられる。また、
帯状絶縁体２０．２０を形成する絶縁性セラミック材と
しては、耐熱強度等に優れしかも発熱体２１との接合強
度面で優れた、たとえばｓｉｃ、５ｉ３Ｎ牛、ＡＩＮま
たはＡｌ２Ｏ３を主成分とするものが考えられる。

そして、上述した本発明による構成によれば、従来のグ
ロープラグでは金属製の発熱線をシースや絶縁性セラミ
ック材内に埋設してなる内部発熱型であることがら速熱
型としての機使に欠けるといった問題を、発熱部２２を
有する抵抗体２１をセラミックヒータ１１の外表面近く
にまで臨ませることで解決し、その発熱特性を改善する
ことができる。これは、本発明によるセラミックヒータ
１１によれば、抵抗体２１の発熱部２２がヒータ１１先
端側の表面近くに位置し、従来の内部発熱型に比べ速熱
性に優れていることから、容易に理解されよう。また、
本発明によれば、抵抗体２１および帯状絶縁体２０．２
０を共に、略々等しい（差の小さい）熱膨張率を有する
サイアロン等といったセラミック材で適切かつ確実に接
合させて一体に形成し、従来のセラミックヒータのよう
に急激な温度−１＝昇によるわれ等といった耐久性など
に対する悪影響をなくし、耐熱強度等の信頼性を大幅に
向Ｊ二させることが１丁能となるものである。

特に、このような耐熱強度等の信頼性に優れてなるセラ
ミックヒータ１１によれば、従来のような金属製発熱線
をセラミック材内に埋設した場合に比べ両部材の接合強
度面で優れ、また発熱線をセラミック材の表面から取出
すように露呈するリード部も不要で、その利点は大きい
。

さらに、本発明によるセラミックヒータ１１によれば、
抵抗体２１を形成する導電性サイアロンの固有抵抗は窒
化チタンの添加ににより調整できることから、その厚み
を１“１山に設定できるもので、特に発熱部２２部分で
の幅（１゛法（断面積）を小さくし、迅速な発熱特性を
得るとともに、その飽和温度を適切に制御して長時間に
わたるアフターグローをも可能とすることができる。す
なわち、このような自己温度飽和性は、発熱部２２部分
の容積（断面積）と、リード２３．２４での容積との関
係等によって得られるもので、しかもこれら抵抗体２１
が導電性セラミック材で形成されていることから、従来
のような金属製発熱線に比べ成形加工性や耐久性等の而
で優れているといった利点もある。なお、−１−述した
抵抗体２１各部の厚み等は、その成形時において自由に
調整し得るもので、これにより抵抗値を自由に選択し得
るものである。

ここで、−上述したセラミックヒータ１１において、本
実施例では、全体を３Ｘ　３ｍｍの矩形状断面を有しか
つ長さを５０ｍｍとして形成した場合に、抵抗体２１を
その厚さが０．４ｍｍである薄板状に形成し、かつその
発熱部２２部分を幅が０．４■である略々Ｕ字状を呈し
てヒータ１１先端部の側縁部に沿って長さ８＋＊ｍ部分
まで後方に延設させるようにして形成しており、また第
１のリード２３をその一端から１ｍｍ幅をもって長さ１
１ｍｍに形成し、かつ第２のリード２４を１層ｍ幅で長
さ１２ｍｍである部分および２ｍｍ幅で長さが２９ｍｍ
である部分によってヒータ後端部まで延設させており、
これにより発熱部２２の熱容量をリード２３．２４に比
べて小さくし、所要の抵抗値を得て必要とされる自己温
度飽和性を発揮し得ることができることが実験等で確認
されている。なお、この場合に、前記保護パイプ２７の
径寸法は、５．５φとすればよいものである。

なお、本実施例では、セラミックヒータ１１を、その断
面形状が略々矩形状を呈するように形成した場合を示し
ており、これによりその成形加−Ｌ等の面で有利である
等といった利点を奏するものであるが、勿論これに限定
されず、楕円状、丸棒形状等、種々の変形例が考えられ
るもので、さらに抵抗体２１の発熱部２２を、上述した
実施例のようにヒータ表面に露Ｉｊ−させずに、絶縁性
セラミック材で覆うようにしてもよいことはＴｔうまで
もない。

また、」−述した実施例では説明を省略したが、使用条
件が厳しい環境において使用される場合には、ヒータ１
１外表面に、１■に発熱部２２部分の耐酸化性を有する
保護膜を蒸着等でコーティングして形成すれば、より大
きな耐久性等を期待し得るものである。

そして、上述したように絶縁性および導電性セラミック
材による帯状絶縁体２０．２０と抵抗体２１とを一体的
に構成してなるセラミックヒータ１１を用いると、第３
図に示すようなグロープラグ１０として優れた特性を発
揮し得るものである。すなわち、本発明によるグロープ
ラグｌＯによれば、同図中ａで示すように、８００℃到
達時間を３．５秒、飽和温度をその許容範囲を１２００
℃以下としたうえで約１１００℃程度とし得ることが実
験により確認されている。

なお、本発明はト述した実施例構造に限定されず、各部
の形状、構造等を、適宜変形、変更することは自由であ
る。たとえばセラミックヒータｌｌの形状、構造や電極
の接続構造等として種々の変形例が考えられるものであ
る。

〔発明の効果〕

以−１−説明したように、本発明に係るディーゼルエン
ジン用グロープラグによれば、棒状セラミックヒータを
、絶縁性セラミック材で形成される一対の帯状絶縁体と
、これら間に介装された状態で焼成されることで一体化
される導電性セラミック材による薄板状抵抗体からなり
、かつこの抵抗体を、ヒータ先端部に配置される幅狭な
発熱部と、この発熱部の一端からヒータの長手方向中央
部に延設されて外部に露呈する第１のリードと、発熱部
の他端からヒータ後端部まで延設されて外部に露呈する
第２のリードとによって一連に形成するようにしたので
、簡単かつ安価な構成にもかかわらず１発熱部がヒータ
外表面近くまで臨み、従来型に比べ迅速かつ確実な先端
赤熱化を達成し、速熱型としての機能を発揮し得るとと
もに、帯状絶縁体と抵抗体との熱膨張率を略々等しくす
ることができるため、その接合強度を増大させ、ヒータ
発熱時における急激な温度１−昇によっても何ら影響さ
れず、われ等を生じることがなく、これによって耐熱強
度等の信頼性を確保し得るもので。

また先端発熱部の熱台１ｉ）を小さくすることで自己温
度飽和性を有し、その結果エンジンの排気、騒音対策と
しての長時間のアフターグローが可能で、グロープラグ
としての性能を発揮させることが可能となり、しかも全
体の構造が簡単でその成形加工および組立性に優れ、早
産性の面で有利であり、さらに過酷な使用条件にも充分
に酎え得る耐熱強度、耐久性等に優れてなる等といった
種々優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るディーゼルエンジン用グロープラ
グの一実施例を示す縦側断面図、第２図（ａ）、（ｂ）
はその要部拡大断面図および先端側からの側面図、第３
図はその要部とするセラミックヒータの温度特性を示す
特性図、第４図（ａ）、（ｂ）。（Ｃ）、（ｄ）は本発明を特徴づけるセラミックヒータ
の成形状態を説明するための工程図である。１０・・・φディーゼルエンジン用グロープラグ、ｌｌ
＠−―・棒状セラミックヒータ、１２１１・φ・中空状
ホルダ、１４−・・・外部接続端子、１５・拳Ｏ・金属
導線、２０．２０・・・・絶縁性セラミック材による帯
状絶縁体、２１・・・・導電性セラミック材による抵抗
体、２２・・・・発熱部、２３．２４−・・・第１およ
び第２のリード部、２５，２６・・・・金属メタライズ
層、２７・・φ・金属製保護パイプ、２８φ拳・・ター
ミナルキャップ・特許出願人　自動車機器株式会社日立金属株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　一端を外部に突出させた状態で中空状ホルダの
先端部に保持される棒状セラミックヒータを備え、この
セラミックヒータは、絶縁性セラミック材により形成さ
れてなる一対の帯状絶縁体と、これら帯状絶縁体間に介
装された状態で焼成されることにより一体化される導電
性セラミック材による薄板状抵抗体とからなり、かつこ
の抵抗体は、前記ヒータの先端部に配置される幅狭な発
熱部と、この発熱部の一端からヒータの長手方向中央ま
で延設されて外部に露呈する第１のリードと、発熱部の
他端からヒータ後端部まで延設されて外部に露呈する第
２のリードとによって一連に形成されていることを特徴
とするディーゼルエンジン用グロープラグ。
（２）　セラミックヒータを構成する帯状絶縁体と抵抗
体とは、βサイアロンまたはαとβとの混相しているサ
イアロンに窒化チタンの添加量を調整することで絶縁性
、導電性を選択し得るセラミック材によって一体的に形
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のディーゼルエンジン用グロープラグ。